生物柴油生产装置——间歇反应装置

   日期:2016-04-24    

生物柴油 (biodiesel)是由植物油、动物油脂或脂肪与单醇酯交换反应而得到的一种液体燃料。酯交换反应器是生物柴油生产过程中的核心设备,对产品生产的质量与成本、生产能耗及对环境的影响都具有决定性的作用。正确选择反应设备的形式、结构尺寸、确定最适宜的反应温度、浓度和物料流动状态是生物柴油生产过程中能否达到工艺要求的关键,是保证主产品的生成、分离提纯和减少污染的关键。反应器的结构类型不同,在其中进行的化学反应的效果也不相同,相同体积的反应器由于结构和操作条件的不同可导致生产能力相差十倍甚至百倍。目前,生物柴油生产过程中所用反应器按几何结构形式的不同,可分为釜式、管式、塔式和固定床等类型。

(一)间歇反应装置

釜式反应器为常见的间歇反应装置,是一种低高径比的圆筒形反应器,容积可大可小,多带有夹套、蛇管或列管等表面传热构件;附有长温度计或热电偶;能承受3×105~4×105Pa压力。反应器内常设有搅拌装置,如下图:

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在高径比较大时,可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时,可在反应器壁处设置夹套,或在器内设置换热面,也可通过外循环进行换热。间歇釜式反应器,操作灵活,易于适应不同操作条件和产品品种,适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。中、小型生物柴油制备厂,主要采用间歇搅拌釜式反应器。

(1)釜式反应器体积的计算

釜式反应器在间歇操作时,将原料加入反应器中,待反应进行到规定的转化率后,再将产品放出,这样就完成了一批操作。设反应时间为τ,加料、出料及清洗等辅助时间为τ′,则每批操作所需要的时间为τ+τ′。如果生产上要求平均单位时间处理的物料量为v,则每批操作需要处理的物料量为VR=v(τ+τ′),这也就是反应器的装料容积,也称有效容积。

在生物柴油生产过程的主要工艺条件与技术指标为:

a、醇油比范围为 (4~20)∶1,6∶1最为常用;

b、酯交换反应温度范围从常温至85℃,但由于醇类易挥发,一般 60~65℃;

c、采用碱性催化剂 (如NaOH、KOH、NaOCH3、有机碱等,常用无水 NaOH)时,催化剂用量占油脂量的0.3%~1.5%反应时间从20min至1h以上;油脂转化率85%~95%;

d、采用酸性催化剂(如硫酸、磺酸等,常用硫酸)时,催化剂用量占油脂量的3%~7%反应时间从4h至10h以上;油脂转化率85%~95%。实际生产中,由于搅拌、发生泡沫等原因,物料不能装满,所以间歇釜的容积要较有效容积大。

有效容积与总容积的比值称为装料系数,以φ表示,即φ=VR/VT,它表示反应器内的物料占反应器总容积的分率。式中,VT为反应器的总容积,简称反应器容积。

装料系数的大小根据经验来选定,一般为0.4~0.85,具体数值可按下列情况确定:对不发生泡沫、不沸腾的液体,不带搅拌或搅拌缓慢的反应釜φ值可取0.8~0.85;不发生泡沫、不沸腾的液体,带搅拌的反应釜φ值可取0.7~0.8;易起泡沫和在沸腾下操作的反应釜φ值可取0.4~0.6。在生物柴油生产过程φ值可取0.7~0.8较为合理。

(2)釜式反应器搅拌器的选择

釜式反应器中最重要的部分是搅拌器,搅拌器用于搅拌液体或低稠度悬浮液,它的类型和性能直接影响着化学反应的进程。搅拌器的结构型式很多,下表列出了常用的结构型式:

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上表介绍了常用搅拌器的结构型式及主要数据,下文则着重讨论常用的几种搅拌器可提供的流动方式和湍动程度,以便选择。

① 桨式搅拌器

桨式搅拌器是搅拌器中最简单的一种,制造方便,它对黏性小或固体悬浮物含量在5%以下的液体,以及仅需保持缓和混合的场合最适用。当轴在液体中旋转时,平板桨叶主要是造成水平的圆形液流。为了使液体在容器中上下翻动,可以使桨叶与水平方向形成一定的倾斜角 (45°~60°)。桨式搅拌器在低转速时的剪切作用不大,轴向运动小,适用于黏度高达15Pa·s,密度达2000kg·m-3的非均一系统液体的搅拌,尤其适用于流动性液体的混合、纤维状或结晶状的固体物质的溶解、固体的熔化、保持较轻固体颗粒呈悬浮状态等。

平桨式搅拌器的主要缺点是不易产生轴向液流,但只要尺寸及转速选择得正确,桨式搅拌器仍不失为一有效的搅拌器。应用于液-液互溶系统的混合或可溶性固体的溶解时,平桨的直径一般选为容器直径的0.7倍,叶端圆周速度维持在1.5~3m/s,液体的深度与容器的直径相等。如欲使较轻的不溶性固体均匀地悬浮于液体中,此时平桨的直径大致等于容器直径的1/3~1/2,桨叶宽度为桨叶直径的1/6~1/4,桨叶下方边缘离容器底的距离等于桨叶的宽度。

为了达到较剧烈的湍流以制止固体物下降的倾向,桨叶的圆周速度可以高于1.5~2m/s,但不宜超过3m/s,实际上桨式搅拌器在高转速下已起到涡轮式搅拌器的作用。桨式搅拌器在液体中旋转时主要是造成水平的圆形液流,靠近转轴的液体形成一漏斗的旋涡。这种旋涡将直接影响混合的效率,因为密度较小的固体在靠近轴的区域里作回转运动,而密度较大的固体则由于受到较大的离心力,被抛到离轴较远的区域运动,这样便形成固体的分离作用,而不是混合作用。为了克服这个缺点,容器内应装设数个与液面等高而宽度为容器直径的1/12~1/10的挡板。这些挡板可以阻止液体的水平运动,而增加上下翻动的液流,因而消除转轴旁的旋涡。同时,在挡板周围还可以造成较小的涡流,因此搅拌的效率会大大增加,但功率的消耗也会因此而增加50%到4~5倍。在大容器的设计中,挡板数约为4个或6个。当反应设备直径很大或很小时,可以酌量增加或减少挡板的数目。

② 框式及锚式搅拌器

框式搅拌器和锚式搅拌器一般仍属于桨式搅拌器的类型。框式搅拌器是由水平的及垂直的桨叶组成,有时还包括斜的桨叶。锚式搅拌器的形状和框式相似,但具有弧形等曲的桨叶,根据器底的形状,它的曲面可以是圆形的、椭圆形的和锥形的。它们在运转时,Re数一般不要超过1000,否则表面会生成旋涡,对混合不利,因此叶片端部圆周速度较低,一般为0.5~1.5m/s。转速一般低于60r/min,大型的则低于30r/min。锚式搅拌器运动缓慢,表面积大,外形与锅壁吻合且贴近,用于传热操作时,可利用其刮壁作用以防止锅壁上静止膜的形成,尤其对于黏稠的物料,可以防止物料在锅底及锅壁上附着,从而防止局部过热和焦化现象的发生。小型框式搅拌器的作用与桨式相同,它适用于黏度低于15Pa·s的物体。

③ 旋桨式搅拌器

旋桨式搅拌器类似于一个无外壳的轴流泵,其直径比容器小,但转速较高,叶片端部的圆周速度一般为5~15m/s,适用于低黏度 (μ<10Pa·s)液体的搅拌。旋桨产生轴向流动,一般向下流至釜底,然后折回返入旋桨入口。这种桨叶主要形成大循环量的总体流动,但湍流程度不高。主要适用于大尺寸的调匀,尤其适用于要求容器上下均匀的场合。大循环量的总体流动冲向釜底,也有利于固体颗粒的悬浮。

④ 涡轮式搅拌器

涡轮式搅拌器类似于一只无泵壳的离心泵,其工作情况与双吸式离心泵的叶轮极为相似。涡轮式搅拌器的直径一般为容器直径的0.3~0.5倍。转速较高,端部切线速度一般为3~8m/s,适用于低黏度或中等黏度 (μ<50Pa·s)的液体搅拌。与旋桨式相比,涡轮式搅拌器所造成的总体流动回路较为曲折,出口的绝对速度很大,桨叶外缘附近造成激烈的旋涡运动和很大的剪切力,可将液体微团分散得更细。因此,涡轮搅拌器对于要求小尺度均匀的搅拌过程更为适用。但是,涡轮搅拌器的釜内有两个回路,对易于分层的物料 (如含有较重固体颗粒的悬浮液)则不甚合适。基于上述分析可知,对于采用搅拌釜式反应器的生物柴油生产中,反应过程是低黏度、密度相近、不互溶液-液系统的搅拌,对于较小的反应器,搅拌器较为合理类型是桨叶与水平方向形成一定的倾斜角 (45°~60°)的桨式搅拌器,对于较大的反应器,搅拌器较为合理类型是旋桨式搅拌器与涡轮式搅拌器的组合,这样在可保证两相有较大的传质界面的同时也确保两相宏观混合均匀。
 

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